EP1036626A2 - Verfahren zum Reflow-Löten in einer Dampfphasenvakuumlötanlage - Google Patents

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EP1036626A2
EP1036626A2 EP00104319A EP00104319A EP1036626A2 EP 1036626 A2 EP1036626 A2 EP 1036626A2 EP 00104319 A EP00104319 A EP 00104319A EP 00104319 A EP00104319 A EP 00104319A EP 1036626 A2 EP1036626 A2 EP 1036626A2
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EP
European Patent Office
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soldering
solder
soldered
recipient
vacuum
Prior art date
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Withdrawn
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EP00104319A
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English (en)
French (fr)
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EP1036626A3 (de
Inventor
Claus Zabel
Karlheinz Augustin
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Asscon Systemtechnik Electronik GmbH
Original Assignee
Asscon Systemtechnik Electronik GmbH
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Publication date
Application filed by Asscon Systemtechnik Electronik GmbH filed Critical Asscon Systemtechnik Electronik GmbH
Publication of EP1036626A2 publication Critical patent/EP1036626A2/de
Publication of EP1036626A3 publication Critical patent/EP1036626A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K1/00—Soldering, e.g. brazing, or unsoldering
    • B23K1/012—Soldering with the use of hot gas
    • B23K1/015—Vapour-condensation soldering

Definitions

  • the invention describes a method for reflow soldering in a vapor phase soldering system according to the features of the preamble of claim 1. vapor phase soldering and Reflow soldering methods are known several times from the literature.
  • the specialist literature differentiates between different soldering processes for the manufacture of material-flush ohmic and / or thermal contacts. Even in the repair sector, the times are Soldering iron past.
  • Fig. 1 outlines the differences in the supply of soldering energy to the solder joint. Regardless of the soldering method, the heat supply is crucial for the formation of the solder joint.
  • the temperature increase (arrows) is conveyed exclusively from the soldering pad (1), for example a copper layer, to the soldering point.
  • the material (3) to be soldered heats up later than the solder (2) to temperatures above the melting temperature.
  • solder (2) initially melts at the edges of the soldered material (3), a good quality solder joint can only be achieved by mechanical pressure or by pressing movements of the item to be soldered (3) can be achieved. Such procedures are therefore few automation friendly.
  • Fig. 1b shows the classic light soldering.
  • the main direction of light is indicated by the arrows.
  • the soldered item (3) is exposed to the greatest temperature loads. Differences not to be discussed here exist in the type of light used, light with wavelengths in the visible range is included. The requirement of overheating can be considerable for items to be soldered with heat-insulating properties or protective coatings.
  • solder pad (1) is in the positions below the item to be soldered and the solder (2) relatively late in the same position Reach solder softening or melting point.
  • the gas film for shielding gas soldering consists, for example, of forming gas and for Soxlett soldering from the vapor phase of the energy-carrying medium, here, for example, perfluoropolyether. While the hydrogen of the forming gas is supposed to have a reducing effect on oxide layers, what only if the soldering temperature is too high, the vapor of the polyether wets the entire Surface above its boiling temperature and sets the temperature at this temperature Surface tension of the solder.
  • Fig. 2 shows the process flow of reflow soldering, as published by A. Rahn (ibid.).
  • Fig. 2a outlines a section of a carrier body, a circuit board (4) made of electrically insulating material (the choice depends on the requirements of thermal conductivity, it consists either of organic plastics with fillers or of inorganic oxides, such as aluminum oxide) with a structured Lamination, in particular made of copper with possible galvanic coatings and possible partial solder-repellent covering lacquers.
  • solder connections there are surfaces (5) for circuitry requirements Solder and / or bond connections are arranged accordingly.
  • the one for solder connections Areas are provided when using the reflow process with the solder paste (6) covered, the amount of solder paste by screen printing over screen (or mask with thicker Layer requirements) is applied.
  • Fig. 2b gives the structure of a resistor (7) or a similar electrical component known.
  • the component (7) is glued to two soldering points provided with solder paste (6).
  • the adhesive force is sufficient for fixing each component.
  • the effect of heat (8) is indicated in FIG. 2c .
  • the solder (6) melts, volatile components escape and the flux contained in the solder paste covers the solder surface. If perfluoropolyether is used as the vapor phase, the solder joints do not overheat if the normal ambient pressure is maintained, the liquid and gaseous phase of the polyether is kept in thermal equilibrium and the polyether was correctly selected at the boiling point after the desired soldering temperature.
  • Perfluoropolyethers the most stable organic compounds, were produced should be expected at all.
  • the stability also includes the vapor phase of the Connections at boiling points up to 270 ° C, that's enough to keep everyone in use to be able to melt the current solders.
  • the stability of the fluoroorganic Compounds are formed by their inert behavior towards all chemicals, metals as well as plastics and other organic and inorganic products.
  • perfluoropolyethers as the basis for your own inventive Solution used.
  • the liquid polymers of this series of compounds can with their different chain lengths a temperature range of 55 ° C to 270 ° C in the boiling point brush. By correctly choosing the desired boiling point, gentle soldering can be achieved without crossing the soldering temperature with all possible negative consequences of the formation of unknown and very difficult to remove cracking products.
  • Reflow soldering has meanwhile been defined by technical use as:
  • solder paste to the solder joint with subsequent fixing of the soldered Component and then heating this point up to temperatures above the Solder melting temperature.
  • the present invention has set itself the task of being error-free, highly productive and Economically advantageous solder connection for the highest demands in the electronic industry to be presented, which excludes all errors inherent in the state of the art.
  • soldering in continuous furnaces under protective gas contains the likelihood of void formation in the solder areas, a misalignment of the Target positions and overheating of the solder joints at the soldering temperature peak.
  • the soldering in chamber furnaces with evacuation at the soldering temperature peak results from the positions of the Depending on the quality of the soldered goods, an increase in temperature significantly above that The melting point of the solder is required.
  • solder paste This is extremely important for the solubility of all additives in the reflow process used solder paste.
  • the flux of the solder paste lies with the choice of a water-soluble one Composition after heat treatment still in water soluble form before no cracking products which are water-insoluble have formed.
  • FIG. 3 schematically illustrates the inventive vapor phase vacuum soldering system.
  • the process works on the principle of reflow soldering.
  • solder paste is partially applied to the substrate. According to the state of the art, this work is carried out very efficiently automatically from the incoming stock via the printing station to the outgoing stock (9).
  • the dried and preheated substrates arrive on the supports via a feeder station (12) and a lock (13) into the melting chamber, the actual one Soldering area (17).
  • the substrate carrier transfers the substrate to a lifting / lowering device (16).
  • the substrate is lowered into the vapor phase of the perfluoropolyether, the Device (16) and the substrate to be soldered assume the vapor temperature.
  • the choice of Perfluoropolyether is aimed at getting the melting point of the solder out of the solder paste approx. 10 ° C to 15 ° C is exceeded.
  • the shape of the lifting / lowering device (16) is based on a relatively large heat capacity of the support surface for the substrate. This makes it possible to solder the joints Lifting the lifting / lowering device (16) to keep in liquid form. After lifting the Lifting / lowering device (16) in the upper position, which is certainly above the vapor phase is by means of a vacuum bell (14), which is moved by a stroke (15) in the lower Position is lowered, vacuum is applied to the solder.
  • Gas inclusions and gaseous perfluoropolyether evaporate in the liquid phase of the Lotes. Furthermore, the vacuum recipient with nitrogen is still in the liquid phase of the solder flooded, which ultimately leads to the melting point of the solder in the final phase of flooding is undercut.
  • soldered good is directly extracted from the feeder (20) or final cleaning (21) supplied in an exemplary use water-soluble
  • the inventive process gives solder pastes the opportunity to remove all residues remove the boards only with deionized water and easy to dry.
  • step 4 enables large-area solder connections without voids to execute. Tests have shown that excellent quality results in soldering can be.
  • the interaction of the inert gas in the vapor phase of the Perfluoropolyether with the surface of all parts to be soldered and the subsequent one Evacuation leads to a surprising solution to the task at hand.

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Abstract

Es wird ein Verfahren für ein Reflow- Löten in einer Dampfphasenlötanlage mit einem kontinuierlichen Durchlauf im Schrittbetrieb bzw. für einen reinen Stationsbetrieb vorgestellt. Das Lötgut durchläuft eine Zuführstation zum Bestücken, eine Trocknungsstation in einer durch Schleusen verschlossenen Kammer, den eigentlichen Rezipienten, eine Kühlschleuse und ein Entstückungsmodul, wahlweise ist ein Reinigungsmodul direkt ankoppelbar. Die Erfindung beinhaltet eine Weiterentwicklung des Dampfphasenlötverfahrens, was sich im Aufbau des Rezipienten zeigt. Zur Lötung im Rezipienten dient eine teilweise mit einer inerten organischen Verbindung gefüllte Dampfphasenkammer. Dem Rezipienten wird das zu lötende Gut im getakteten Durchlaufbetrieb schrittweise zugeführt. Das zu lötende Gut wird in der Dampfphase durch die siedende inerte organische Verbindung auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes erhitzt und nach Anheben des Lötgutes auf Zonen oberhalb der Dampfphase wird ein anschließendes Evakuieren bei Temperaturen noch oberhalb der Lotschmelze durchgeführt. <IMAGE>

Description

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Reflow- Löten in einer Dampfphasenlötanlage nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1. Dampfphasenlötanlagen und Verfahren des Reflow- Lötens sind mehrfach aus der Literatur bekannt.
Die Fachliteratur unterscheidet verschiedene Lötverfahren zur Herstellung stoffbündiger ohmscher und/oder thermischer Kontakte. Selbst im Reparatursektor sind die Zeiten der Lötkolbenlötung Vergangenheit.
Das Schwallöten von Leiterplatten ist großtechnisch am weitesten entwickelt, jedoch in vielen Fällen der Herstellung elektrisch gut leitender und mechanisch stabiler Verbindungen eine nicht mehr geübte Technologie. Löten unter Schutzgas, in
Figure 00010001
Reflow- Öfen" und IR- Lötanlagen sind bestimmend für den Stand der Technik. In gleicher Weise werden Dampfphasenlötanlagen dem Stand der Technik zugeordnet. Saubere Lötverbindungen werden nach dem neuesten Stand der Technik in Kammeröfen unter Schutzgasatmosphäre und Einbeziehen des Vakuums in der Schmelzphase des Lotes erreicht, negativ sind hier das nennenswerte Überfahren der Schmelztemperatur und der diskontinuierliche Stationsbetrieb zu bewerten.
DE 38 14 870 C1 beschreibt einen erfindungsrelevanten Stand der Technik unter dem Titel Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Gegenständen in einem einzigen gas- und/oder dampfförmigen Medium, insbesondere zum Dampfphasen- Löten von Gegenständen". Die Entwicklung der Dampfphasenlötung wird daselbst dargestellt, wobei sich jene Erfindung die Aufgabe gestellt hatte, einen Austritt des Dampfes zuverlässig zu vermeiden und damit den Einsatz eines zweiten, abschirmenden Mediums zu umgehen.
In DE 196 02 312 A1 wird ein Verfahren zur Verbindung von Gegenständen mit metallischen Werkstoffen vorgestellt, bei dem die für den Weichlötvorgang erforderliche Wärmemenge mittels eines Fluids übertragen wird. Die Anwendung in dem dortigen erfinderischen evakuierbaren Rezipienten (bis auf 200 mbar) war für die Lösung der eigenen Aufgabenstellung ungeeignet, da nicht die erforderliche Temperaturkonstanz unter vermindertem Druck möglich ist.
In gleicher Weise entspricht US 4,392,049 dem Stand der vergleichbaren Technik. In beiden Vorveröffentlichungen werden mittels Evakuierungen des Reaktionsraumes Lötprozesse im Reflow- Verfahren vorgenommen.
Mit dem Fortschritt in der Chemie der Herstellung temperaturstabiler und inerter organischer Verbindungen wächst das Interesse, solche Verbindungen in Form ihrer Dampfphase für temperaturstabile Prozesse zu nutzen. Die Dampfphasenlötung wird technisch besser handhabbar.
In einem know how- Seminare in Sachen Löten" wird von A. Rahn 1993 ein guter Überblick auch des Reflow- Lötens in der Dampfphase gegeben (Ersa: 12.10.93, 97877 Wertheim, S. 71ff). Geeignete stabile Perfluor- Verbindungen werden vorgestellt und diskutiert. Die Stabilität solcher organischer Verbindungen konnte in den letzten Jahren erheblich verbessert werden.
Die Figuren 1 und 2 erläutern den Stand der Technik.
  • Fig. 1 skizziert die Unterschiede der Zufuhr der Lötenergie an die Lötstelle.
  • Fig. 2 zeigt den Verfahrensablauf des Reflow- Lötens nach A. Rahn.
    • Fig. 1 skizziert die Unterschiede der Zuführ der Lötenergie an die Lötstelle. Unabhängig von der Lötmethode ist die Wärmezufuhr entscheidend für die Ausbildung der Lötstelle. Beim Heizplattenlöten, wie in Fig. 1a dargestellt, wird die Temperaturerhöhung (Pfeile) ausschließlich von der Lötunterlage (1), beispielhaft eine Kupferschicht, an die Lötstelle befördert. Das zu lötende Gut (3) erhitzt sich zeitlich später als das Lot (2) auf Temperaturen oberhalb der Schmelztemperatur.
    Bei großflächigen Lötstellen schmilzt das Lot (2) zunächst an den Umrandungen des Lötgutes (3), eine qualitativ gute Lötstelle kann hier nur durch mechanischen Druck oder durch drückende Bewegungen des Lötgutes (3) erzielt werden. Solche Verfahren sind deshalb wenig automatisierungsfreundlich.
    Fig. 1b zeigt das klassische Lichtlöten. Durch die Pfeile ist die Hauptlichtrichtung angedeutet. Abgesehen von sehr hohen Temperaturgradienten ist hier das Lötgut (3) den größten Temperaturbelastungen ausgesetzt. Hier nicht zu diskutierende Unterschiede bestehen in der Art des angewendeten Lichtes, Licht mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich ist dabei eingeschlossen. Bei Lötgut mit wärmeisolierenden Eigenschaften oder Schutzüberzügen kann das Erfordernis der Überhitzung beachtlich sein.
    Auch mit dieser Methode erfolgt in jedem Falle bei großflächigen Lötungen zunächst eine Erhitzung der Umrandung des Lötgutes (3). Hier wird die Lötunterlage (1) in den Positionen unterhalb des Lötgutes und das Lot (2) selbst in gleicher Position relativ spät den Erweichungs- oder Schmelzpunkt des Lotes erreichen.
    Bei sehr gut lötenden Materialien, wie beispielhaft Silber, wird sich sofort an der Umrandung des Lötgutes das Lot (3) mit dem Silber des Lötgutes (2) verbinden und die Luft sowie auch alle anderen löthemmenden Stoffe können wegen der Oberflächenspannung nicht mehr aus der Lötstelle entweichen, Lunker sind die vorprogrammierte und systematische Folge.
    Eine allseitige Erwärmung der Lötstelle, mit Unterlage (1), Lot (2) und Lötgut (3) wird in erhitztem Gas oder in der Dampfphase eines Soxletts erreicht. Hier ist der Temperturgradient ausschlaggebend für die Lötergebnisse. Bei genügend geringem Gradienten können sich alle am Lötprozess beteiligten Komponenten gleichmäßig gut bis zu der eingestellten Löttemperatur erhitzen. Ein zu großer Gradient kann sehr schnell eine gute Lötqualität verhindern. Bei optimierter Temperaturerhöhung, die von der geometrischen Gestaltung der Lötkomponenten abhängig ist, bildet sich um das Lot (2) und alle am Lötprozess beteiligten Komponenten, Lötunterlage (1) und Lötgut (3), ein Gasfilm unter Verdrängung des Luftsauerstoffes aus.
    Der Gasfilm besteht beim Schutzgaslöten beispielhaft aus Formiergas und bei der Soxlettlötung aus der Dampfphase des energietragenden Mediums, hier beispielhaft Perfluorpolyether. Während der Wasserstoff des Formiergases auf Oxidschichten reduzierend wirken soll, was nur bei überhöhten Löttemperaturen der Fall ist, benetzt der Dampf des Polyethers die gesamte Oberfläche oberhalb seiner Siedetemperatur und setzt bei dieser Temperatur die Oberflächenspannung des Lotes herab.
    Fig. 2 zeigt den Verfahrensablauf des Reflow- Lötens, wie er bei A. Rahn (ebenda) veröffentlicht wurde. Fig. 2a skizziert einen Ausschnitt eines Trägerkörpers, einer Platine (4) aus elektrisch isolierendem Material (deren Wahl richtet sich nach den Erfordernissen der thermischen Leitfähigkeit, es besteht entweder aus organischen Kunststoffen mit Füllstoffen oder aus anorganischen Oxiden, wie beispielhaft Aluminiumoxid) mit einer strukturierten Kaschierung, insbesondere aus Kupfer mit möglichen galvanischen Überzügen und möglichen partiellen lotabweisenden Abdecklacken.
    Auf den Patinen (4) befinden sich nach schaltungstechnischen Bedürfnissen Flächen (5), die für Löt- und/oder Bondverbindungen entsprechend angeordnet sind. Die für Lötverbindungen vorgesehenen Flächen werden bei der Anwendung des Reflow- Verfahrens mit der Lotpaste (6) überdeckt, wobei die Lotpastenmenge durch Siebdruck über Sieb (oder Maske bei dickeren Schichterfordenissen) aufgetragen wird.
    Fig. 2b gibt den Aufbau eines Widerstandes (7) oder eines ähnlichen elektrischen Bauteiles bekannt. Auf zwei mit Lotpaste (6) versehenen Lötstellen wird das Bauteil (7) aufgeklebt. Die Klebkraft ist dabei für das Fixieren jedes Bauteiles ausreichend.
    In Fig. 2c ist die Wärmeeinwirkung (8) angedeutet. Das Lot (6) schmilzt, flüchtige Bestandteile entweichen und das in der Lotpaste enthaltene Flussmittel überdeckt die Lotoberfläche. Bei Verwendung von Perfluorpolyether als Dampfphase erfolgt keine Überhitzung der Lötstellen, wenn der normale Umgebungsdruck aufrecht erhalten bleibt, die flüssige und gasförmige Phase des Polyethers im thermischen Gleichgewicht gehalten wird und der Polyether im Siedepunkt nach der gewünschten Löttemperatur richtig gewählt war.
    Der Einsatz von Perfluorpolyethern als Fluid für Reflow- Lötanlagen wird in EP 0 326 539 A1 beschrieben. Hier ist eine gute Übersicht der für Lötprozesse geeigneten Lösemittel gegeben.
    Es wurden Perfluorpolyether hergestellt, die zu den stabilsten organischen Verbindungen überhaupt gerechnet werden dürften. Die Stabilität beinhaltet dabei auch die Dampfphase der Verbindungen bei Siedepunkten bis zu 270°C, das ist ausreichend, um alle im Einsatz befindlichen gängigen Lote schmelzen zu können. Die Stabilität der fluororganischen Verbindungen werden durch deren inertes Verhalten gegenüber allen Chemikalien, Metallen sowie Kunststoffen und anderen organischen und anorganischen Produkten begründet.
    Beispielhaft werden im folgenden Perfluorpolyether als Grundlage für die eigene erfinderische Lösung herangezogen. Die flüssigen Polymere dieser Verbindungsreihe können mit ihren unterschiedlichen Kettenlängen einen Temperaturbereich von 55°C bis 270°C im Siedepunkt bestreichen. Durch die richtige Wahl des gewünschten Siedepunktes kann ein sanftes Löten ohne Überfahren der Löttemperatur mit allen dabei möglichen negativen Folgen der Bildung von unbekannten und sehr schlecht zu entfernenden Krackprodukten erarbeitet werden.
    Weiterhin wird das aus dem Stand der Technik bekannte Reflow- Verfahren" ausgewählt, um die Zielparameter der Lötqualität zu erreichen. Das Reflow- Löten ist zwischenzeitlich durch den technischen Gebrauch definiert als:
    Das Aufbringen von Lotpaste auf die Lötstelle mit anschließendem Fixieren des zu lötenden Bauteils und abschließendem Erhitzen dieser Stelle bis zu Temperaturen oberhalb der Lotschmelztemperatur.
    Auf der Grundlage dieser Definition spricht man von Reflow- Verfahren", Reflow- Öfen" und Reflow- Löten". Dieses Lötverfahren ist die zweite Grundlage zur Erreichung der Ziele der vorliegenden Erfindung.
    Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine fehlerfreie, hochproduktive und wirtschaftlich günstige Lotverbindung für höchste Ansprüche in der elektronischen Industrie vorzustellen, die alle dem Stand der Technik im einzelnen anhaftenden Fehler ausschließt.
    Die Aufgabe wird mit einer erfinderischen Anlage und einem dazugehörigen Verfahren der darzustellenden Art durch die Maßnahmen des kennzeichnenden Teiles des Anspruches 1. gelöst, bevorzugte Weiterbildungen werden in den Unteransprüchen beschrieben.
    Das Erreichen der erforderlichen optimalen Qualität ist bei allen bisherigen Ausrüstungen und Verfahren nach dem Stand der Technik gehemmt. Das Löten in Durchlauföfen unter Schutzgas birgt in sich die Wahrscheinlichkeit der Lunkerbildung in den Lotflächen, eine Dejustage der Sollpositionen und eine Überhitzung der Lötstellen im Löttemperaturscheitelpunkt. Das Löten in Kammeröfen mit Evakuieren im Löttemperaturscheitelpunkt ergibt von den Positionen des Lötgutes abhängig unterschiedliche Qualitäten, ein Erhöhung der Temperatur deutlich über den Schmelzpunkt des Lotes ist erforderlich.
    Das Reflow- Löten ist technologisch in der Zwischenzeit so weit ausgereift, dass es den vorgenannten Verfahren überlegen ist. Dennoch zeigen sich in der Praxis erhebliche Fehlerquellen. Der Nachteil der Verwendung von Flussmittel, das bei den Schutzgaslöteinrichtungen (Durchlauf- und Kammeröfen) nicht erforderlich ist, ist Hauptursache für Qualitätsmängel. Einerseits wird durch zu schnelles Aufheizen Lotpastenmasse oder werden deren Inhaltsstoffe in die Nachbarbezirke verspritzt und andererseits werden durch Überfahren der notwendigen Löttemperatur undefiniert und teilweise schlecht zu entfernende Krackprodukte aus der Lotpaste oder deren Inhaltstoffe hergestellt.
    Zur Vermeidung von Lunkern oder Blasen in der Benetzungsfläche wird auch bei dem Reflow- Löten teilweise Vakuum eingesetzt. Das Verdampfen von Lotinhaltsstoffen oder deren Krackprodukte verursacht erhebliche Ablagerungen in den Rezipienten und Vakuumleitungen neben dem Verkleben" von Lötgut, wodurch Mehraufwendungen und Nacharbeiten zur Säuberung feste Bestandteile dieser Technologien werden.
    Bei Lichtlötanlagen einschließlich IR- und UV- Anlagen sind durch unterschiedliche partielle Reflexions- bzw. Absortionsflächen des Lötgutes stark unterschiedliche Temperaturen in verschiedenen Lötregionen vorzufinden, was Spaltprodukte der Flussmittel mit sehr schlechten Löseeigenschaften bei nachträglichen Säuberungsschritten zur Folge hat. In den Lotbenetzungsgebieten sind solche Spaltprodukte sehr oft in solch einem Umfang vorhanden, dass keine zuverlässige Qualität des Lötgutes erreicht werden kann.
    Zur Lösung der eigenen Aufgabenstellung hat sich das Dampfphasenlöten mit den aus dem Stand der Technik bekannten Anlagen am geeignetsten herausgestellt. Solche Anlagen können als Durchlaufanlagen konzipiert werden, sind aber in gleicher Weise für einen Stationsbetrieb als Chargenanlage herstellbar. Bei Verwendung des bereits erwähnten Perfluorpolyethers entsprechender Siedetemperatur ist eine Lösung nach der erfinderischen Aufgabenstellung möglich. Bedingt durch die chemische Stabilität, elektrische Inertheit, seine vorzügliche Materialverträglichkeit, der sehr guten Warmeübertragung und einer biologischen Unbedenklichkeit besitzen perfluorierte Polyether gegenüber anderen Medien nennenswerte Vorzüge zur Durchsetzung der eigenen Aufgabenstellung.
    Mit dem Einsatz eines perfluorierten Polyethers als Lötmedium ergeben sich weitere Vorzüge. Ein sehr guter Wärmeübergang sorgt für eine gute Arbeitsgeschwindigkeit und die hohe Dampfdichte ermöglicht es, ohne Schutzgasatmosphäre arbeiten zu können, denn der in der flüssigen Phase des Perfluorpolyethers in Größenordnungen gelöste Sauerstoff wird in der Dampfphase aus der viel schwereren Sphäre quantitativ herausgetrieben.
    Der Vorteil der Dampfphasenlötung liegt jedoch in der Tatsache, dass der Dampf bei eingestelltem Druck immer eine gleichbleibende Temperatur besitzt. Wählt man also eine bestimmte Fraktion aus der Gruppe der perfluorierten Polyether, dann ist man sicher, dass kein Überfahren des gewählten Temperaturniveaus auftritt.
    Das hat hervorragende Bedeutung auf die Lösbarkeit aller Addititve der im Reflow- Verfahren verwendeten Lotpaste. Das Flussmittel der Lotpaste liegt bei der Wahl einer wasserlöslichen Zusammensetzung nach der Temperaturbehandlung immer noch in wasserlöslicher Form vor, es haben sich keine Krackprodukte gebildet, die wasserunlöslich sind.
    Bei Einsatz von Dampfphasenlötanlagen nach dem Stand der Technik war jedoch die erfinderische Zielstellung dennoch nicht lösbar, denn die Gefahr der Lunkerbildung bei flächigen Lötstellen ist in Abhängigkeit von der Größe der Lötfläche vorhanden. Durch Einschluss von Bestandteilen der Lotpaste oder Aerosolen aus der Dampfphase des Lötmediums sind Lunker vorprogrammiert, sie stellen einen systematischen potentiellen Fehler in der Qualität dar.
    Die hervorragenden Ergebnisse aus der Kammerofenlötung mit Evakuieren des Rezipienten in der Schmelzphase des Lotes sollen erfinderisch in einer Dampfphasenlötanlage genutzt werden. Durch das Zusammenwirken dieser zwei an sich bekannten Verfahren ist ein erstaunlicher Effekt erzielt worden. Wird das gelötete Gut bei einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes aus der Dampfphase gehoben und bei diesem Temperaturniveau, bei Verzögerung der zu diesem Zeitpunkt beginnenden Abkühlung, einer sofortigen Vakuumbehandlung zugeführt, dann werden alle flüchtigen Stoffe, einschließlich des Dampfes der perfluorierten Polyether, aus den Lötstellen abgesaugt.
    Dieser Effekt ist neben dem Effekt der Abschirmung der Lötstellen durch einen Film des inerten Lötmediums gegen oxidative Verkrustungen dafür in Betracht zu ziehen, dass eine lunkerfreie Lötung selbst großflächiger Lötstellen durchgeführt werden kann. Die technische Ausführung dieser Idee führt schließlich zu der erfinderischen Lösung in Form einer Anlage und eines Verfahrens zum Dampfphasenvakuumlöten.
    Fig. 3 veranschaulicht schematisch die erfinderische Dampfphasenvakuumlötanlage. Das Verfahren arbeitet nach dem Prinzip des Reflow- Lötens. Dazu wird Lotpaste partiell auf das Substrat aufgebracht. Diese Arbeiten werden nach dem Stand der Technik sehr rationell vom Eingangsvorrat automatisch über die Druckstation zum Ausgangsvorrat (9) verrichtet.
    Die mit Lotpaste bedruckten und mit zu lötenden Bauteilen bestückten Substrate werden auf Träger gelegt und durch diese in die Trockenkammer (10) transportiert, dazu ist eine Schleuse (11) zu durchfahren. In dieser Schleuse (11) kondensiert das aus dem Rezipienten verschleppte Perfluorpolyether und es wird durch Vorwärmen gleichzeitig die Trocknung der Lotpaste von den in ihr enthaltenen Lösemitteln erreicht.
    Von dem Schritt 2 gelangen die getrockneten und vorgewärmten Substrate auf den Trägern über eine Zubringerstation (12) und eine Schleuse (13) in den Schmelzraum, dem eigentlichen Lötraum (17). Hier übergibt der Substratträger das Substrat an eine Hebe-/Senkvorrichtung (16). Zunächst wird das Substrat in die Dampfphase des Perfluorpolyethers gesenkt, wobei die Vorrichtung (16) und das zu lötende Substrat die Dampftemperatur annehmen. Die Wahl des Perfluorpolyethers ist darauf gerichtet, dass der Schmelzpunkt des Lotes aus der Lotpaste um ca. 10°C bis 15°C überschritten wird.
    Die Formgestaltung der Hebe-/Senkvorrichtung (16) ist auf eine relativ große Wärmekapazität der Auflagefläche für das Substrat gerichtet. Dadurch ist es möglich, die Lötstellen beim Anheben der Hebe-/Senkvorrichtung (16) in flüssiger Form zu halten. Nach dem Anheben der Hebe-/Senkvorrichtung (16) in die obere Position, die mit Sicherheit oberhalb der Dampfphase liegt, wird mittels Vakuumglocke (14), die durch eine Hubbewegung (15) in die untere Position abgesenkt wird, Vakuum an das Lötgut angelegt.
    Gaseinschlüsse und gasförmiges Perfluorpolyether verdampfen noch in der Flüssigphase des Lotes. Weiterhin wird noch in der Flüssigphase des Lotes der Vakuumrezipient mit Stickstoff beflutet, wodurch schließlich in der Endphase des Beflutens der Schmelzpunkt des Lotes unterschritten wird.
    Damit sind die Verfahrensschritte 3 und 4 abgeschlossen und das gelötete Gut kann von einem nachfolgenden Träger (18) übernommen und über die Ausschleusung in die Abkühlphase (Schritt 5) verbracht werden.
    Über eine Schleuse (19) wird das gelötete Gut mittels Zuführer (20) direkt entstückt oder der abschließenden Reinigung (21) zugeführt Bei einer beispielhaften Verwendung wasserlöslicher Lotpasten gibt das erfinderische Verfahren erstmals die Möglichkeit, sämtliche Rückstände auf den Platinen ausschließlich mit entionisiertem Wasser zu entfernen und einfach zu trocknen.
    Die Vakuumphase im Schritt 4 ermöglicht es, großflächige Lotverbindungen lunkerfrei auszuführen. Teste haben ergeben, dass eine hervorragende Qualität beim Löten bewirkt werden kann. Das Zusammenwirken des inerten Gases in der Dampfphase des Perfluorpolyethers mit der Oberfläche aller zu lötenden Teile und das anschließende Evakuieren führen zu einer überraschenden Lösung der gestellten Aufgabe.

    Claims (6)

    1. Verfahren zum Reflow- Löten in der Dampfphase mittels eines inerten Mediums, bestehend aus den folgenden Verfahrensschritten:
      a) Einbringen des Lötgutes in die geschlossene Anlage über eine Schleuse (11),
      b) Trocknen des Lötgutes in einer Vorkammer (12),
      c) Zuführen des Lötgutes in den eigentlichen Reaktionsraum (17) und Erhitzen mittels des Dampfes des inerten organischen Mediums auf Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes,
      d) Anheben des Lötgutes in dem Reaktionsraum (17) in dem erhitzten Zustand in die Zone oberhalb der Dampfphase des organischen Mediums,
      e) Evakuieren des Lötgutes in dem in der Anlage eingebauten Rezipienten (14) bei Temperaturen noch oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes,
      f) Aufheben des Vakuums des Rezipienten (14) bei Temperaturen noch oberhalb des Schmelzpunktes des Lotes und Abkühlen mittels eines in dem Rezipienten eingebauten Kühlers und
      g) Ausschleusen des Lötgutes aus der geschlossenen Anlage.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      das Lötgut in dem Rezipienten auf einem Träger aus Metall als Wärmespeicher oder einer Heizplatte positioniert ist und die Trägerplatte in vertikaler Richtung gehoben und gesenkt werden kann.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      das inerte organische Medium eine Siedefraktion aus der homologen Gruppe der Perfluorpolyether mit einem Siedepunkt zwischen 55°C und 270°C, der jedoch höher als der Schmelzpunkt des Lotes der für das Reflow- Löten eingesetzten Lotpaste ist.
    4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      für den Rezipienten in der Dampflötanlage eine Vakuumreserve in Form eines Behälters mit verringertem Druck eingebaut ist, um ein rasches Evakuieren der in dem Rezipienten positionierten Vakuumkammer zu realisieren.
    5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      das zu lötende Gut einerseits aus einer zumindest teilweise strukturierten metallkaschierten Platine aus anorganischen Oxiden bzw. Nitriden oder organischen mit Füllstoffen versehenen Verbindungen und andererseits aus elektronischen Bauelementen oder Verbindungsteilen besteht.
    6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
      das zu lötende Gut einerseits aus einer metallischen Komponente und andererseits aus einem mit elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen bestückten Isoliersubstrat als Halbfabrikat besteht, die durch Lötverbindung stoffschlüssig miteinander zu verbinden sind.
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